超冷原子带来了很酷的研究
对查尔斯·范彻（Charles Fancher）来说，说物理学很酷是轻描淡写的。他说：“从高二第一次上物理课的那一刻起，我就被吸引住了。”
如今，范彻在威廉与玛丽大学攻读物理学博士学位时的研究不仅很酷；束。范彻是物理学副教授赛斯·奥宾（Seth Aubin）领导的一个主要由研究生组成的团队的一员，多年来，他一直在研究超冷原子，这是物理学家们的热门话题。超冷原子——或者原子冷却到1微开尔文左右，只比绝对零度高一点点——对于原子钟、干涉仪或惯性导航系统等技术的进步至关重要。
“如果你想精确测量某样东西，最好的方法就是使用超冷原子，”Fancher说。“它们对一系列科学实验都很有用，但也可以显著提高GPS卫星等设备的精度。”
这是一个罕见的新发现，是奥宾和他的团队在2012年首次发现的。但让它们降温仅仅是个开始。现在，Fancher和他的同事们正在开发一种捕获和操纵原子的方法，允许对它们进行更多的控制，并有可能为更高水平的原子精度打开大门。
Fancher对该主题的持续研究最近荣获诺斯罗普·格鲁曼公司自然与计算科学卓越奖学金奖。他的工作将在3月19日的第15届年度研究生研究研讨会的午餐会上得到庆祝。
经过多年的准备和实验，一个盐碱饼干大小的原子芯片和一种叫做AC塞曼效应的理论产生的力取得了突破。这个过程从激光冷却开始，将数亿个铷-87原子暴露在6个特定频率的激光下，让原子在27纳秒后吸收并发射光。
“原子吸收能量较少的东西，每次它们这样做时，它们释放的能量比吸收的能量要多，”范彻说。“这最终会减慢他们的速度。”
它还将它们冷却到大约100微开尔文的温度，在这个温度下，它们被转移到原子芯片上蒸发，并在剩下的过程中冷却。最终，只剩下几万个原子被困住了。“这有点像一杯咖啡，”范彻说。“如果你放下杯子，打开盖子，最热的水分子就会逸出，杯子的其他部分就会变冷。我们不断重复这个过程，直到只剩下最冷的原子。”
这就是AC塞曼效应的由来。该效应理论认为，如果你对由交流电（或周期性反转方向的电荷）产生的原子施加振荡磁场，你可以改变它们的能级。这是一种在空间上操纵原子，消除或分离自旋状态的方法，可以为进行新的实验创造有用的环境，这些实验可以推进像惯性导航系统这样的技术，惯性导航系统通过测量位置、方向和速度来预测运动物体未来的位置。
虽然这一理论在过去已经用超冷原子进行了测试，但来自宏观微波腔的微波功率太弱，无法将原子限制在一个地方。与原子芯片相结合，将原子压缩在距离芯片导线仅100微米的地方，交流电塞曼效应被证明成功地将原子推到一个期望的位置。
“由原子芯片产生的微波预计可以产生比重力更强的力，使系统更小、更轻，所需的能量更少，”Fancher说。
范彻计划在未来进一步扩展这项工作，只利用交流塞曼效应制造一个原子陷阱。“我们将不得不建造更多的微波设备，但我们应该能够使用我们现有的系统和芯片，”他说。“这样既省钱又省时，总体上也更有效率。”
